Grundprinzipien der Gasretention an Oberflächen unter Wasser: Ein materialorientierter Ansatz auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren Architekturen

• Antragsteller: Dr. Torsten Scherer, seit 10/2022; Professor Dr. Jörg J. Schneider
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 447863929

Pflanzen und Tiere haben im Laufe der Evolution komplexe hierarchisch strukturierte Oberflächen als Anpassung an unterschiedlichste Umweltbedingungen entwickelt. So sind einige Insekten, Spinnen und Pflanzen in der Lage, unter Wasser an ihrer Oberfläche langzeitstabile persistente Luftschichten zu halten. Solche strukturierte biologische Oberflächen dienen in diesem Projekt als Vorbilder für die Herstellung eines vollständig auf Kohlenstoff basierten biomimetischen Materialsystems mit vergleichbaren Eigenschaften. Das Forschungsprojekt ist auf vertikal ausgerichtete Kohlenstoffnanoröhren-Architekturen (VACNTs) mit superhydrophoben Oberflächen ausgelegt. Das gemeinsame Ziel beider Forschergruppen ist es, die fundamentalen physikalischen und chemischen Grundlagen der Gasretention in Flüssigkeiten (z.B. Wasser) an VACNT-Oberflächen zu verstehen. Mit VACNTs steht ein System zur Verfügung, dessen chemische und physikalische Eigenschaften sich variieren und gezielt einstellen lassen. Dazu zählen Durchmesser, Abstand und geordnete Struktur der CNTs sowie ihre mechanischen und chemischen Oberflächeneigenschaften (pH-, Korrosions- und Foulingbeständigkeit). Somit stellen VACNTs eine ideale Modellstruktur dar, um das gesetzte Projektziel zu erreichen. Das fundamentale Verständnis der grundlegenden Prinzipien der Gasretention bildet die Basis für die Entwicklung und für zukünftige technologische Anwendungen solcher Materialien. In Betracht kommende Funktionalitäten sind Reibungsreduktion, Gasaustausch an Oberflächen unter Wasser und neuartige Sensorsysteme. Hinsichtlich der Entwicklung neuartiger Drucksensoren und dem Studium von aktiven subaquatischen Gasaustauschoberflächen gibt es nach unserem Wissen keine eingehenden Untersuchungen. Dies beruht teilweise auf dem Fehlen geeigneter modulierbarer Materialien sowie geeigneter Untersuchungsmethoden mit denen deren Eigenschaften studiert werden können. Mit den VACNT-Oberflächen und der eigens entwickelten Methodik steht nun erstmals beides zur Verfügung, womit grundlegende Prinzipien der Lufthaltung analysiert werden können. Im Speziellen werden die folgenden Aufgaben und Ziele definiert: Festlegung, Einstellung und Optimierung der physikalischen und chemischen Oberflächeneigenschaften durch Variation der geometrischen Parameter der VACNT-Architekturen wie Durchmesser, Abstand, Höhe und Vorzugsausrichtung; Anpassung ihrer oberflächenchemischen Eigenschaften (z.B. Einstellung der Hydrophobie durch Oberflächenfunktionalisierung), Bestimmung von Form und Stabilität der Flüssigkeit/Gas-Grenzfläche in Abhängigkeit von deren Größe sowie der Gasart, dem Gasdruck, dem Gasaustausch und dem umgebenden Lösungsmittel (z.B. Wasser).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Matthias Mail, bis 10/2022